JP2016054270A - 圧電素子利用装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧電素子9の表面は、その一部を除いて、第1水素バリア膜14によって覆われている。第1水素バリア膜14上に絶縁膜15が積層されている。第1水素バリア膜14および絶縁膜15には、コンタクト孔33が形成されている。絶縁膜15上に、上部配線17が形成されている。上部配線17の一端部は、コンタクト孔33を介して圧電素子9の上部電極13に接続され、上部配線17の他端部は圧電素子9の外側に引き出されている。絶縁膜15上には、上部配線17を覆う第2水素バリア膜20が形成されている。第2水素バリア膜20上には、第2水素バリア膜20を覆うパッシベーション膜21が形成されている。
【選択図】図2B
Description
パッシベーション膜を形成する際には、圧電素子の表面のほぼ全域は、水素バリア膜および絶縁膜によって覆われている。しかしながら、圧電素子の表面のうち、水素バリア膜および絶縁膜にコンタクト孔が形成されている部分は、水素バリア膜によって覆われていない。このため、パッシベーション膜形成時に発生した水素が、配線、コンタクト孔および上部電極を通過して、圧電体膜に達する。これにより、圧電体膜が水素還元される。この結果、圧電体膜の耐圧不良が生じたり、圧電体膜のヒストリシス(分極)特性劣化が生じたりするおそれがある。
この発明の一実施形態では、前記第1水素バリア膜は、前記上部電極の上面中央に開口を有し、前記上部電極の上面周縁部と、前記上部電極および前記圧電体膜の側面全域を覆っている。
この発明の一実施形態では、前記平面視において、前記上部電極および前記圧電体膜は、それぞれ、前記可動膜よりも前記キャビティの内方に後退した周縁を有し、前記圧電体膜の側面を覆う前記第1水素バリア膜と前記可動膜の周縁との間領域に、前記第1水素バリア膜が形成されていない領域が存在する。
この発明の一実施形態では、前記キャビティは、前記平面視において矩形状に形成されている。前記可動膜は、前記平面視において前記キャビティの周縁と整合する矩形状に形成されている。前記圧電体膜は、前記平面視において、前記可動膜の短手方向の幅より短い幅と、前記可動膜の長手方向の長さより短い長さとを有する矩形であり、その両端縁および両側縁が前記可動膜の両端縁および両側縁よりも前記可動膜の内方にそれぞれ後退している。前記上部電極は、前記平面視において、前記可動膜の短手方向の幅より短い幅と、前記可動膜の長手方向の長さより短い長さとを有する矩形であり、その両端縁および両側縁が前記可動膜の両端縁および両側縁よりも前記可動膜の内方にそれぞれ後退している。
この発明の一実施形態では、前記絶縁膜はSiO2膜からなる。
この発明の一実施形態では、前記第1水素バリア膜はAl2O3からなる。
この発明の一実施形態では、前記第2水素バリア膜はAl2O3からなる。
この発明の一実施形態では、前記パッシベーション膜は、プラズマCVDによって形成されているSiN膜からなる。
この発明の一実施形態では、前記可動膜はSiO2単膜からなる。
この発明の一実施形態では、前記可動膜は、前記基板上に形成されたSi膜と、前記Si膜上に形成されSiO2膜と、前記SiO2膜上に形成されたSiN膜との積層膜からなる。
この発明の一実施形態では、前記上部電極はPt単膜からなる。
この発明の一実施形態では、前記上部電極は、前記圧電体膜上に形成されたIr02膜と、前記Ir02膜上に形成されたIr膜との積層膜からなる。
この発明の一実施形態では、前記下部電極は、前記可動膜側に形成されたTi膜と、前記Ti膜上に形成されたPt膜との積層膜からなる。
図1Aは、この発明の一実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの構成を説明するための図解的な平面図である。図1Bは、図1の要部の拡大平面図である。図2Aは、図1AのIIA-IIA線に沿う図解的な断面図である。図2Bは、図2Aの要部の拡大断面図である。図3は、図1AのIII-III線に沿った切断面のうちの一部を図解的に示す拡大断面図である。図4は、図2BのIV-IV線に沿う図解的な拡大断面図である。図5は、前記インクジェットヘッドの下部電極のパターン例を示す図解的な平面図である。
インジットプリントヘッド1は、アクチュエータ基板2と、ノズル基板3と、保護基板4とを備えている。アクチュエータ基板2の表面には、可動膜形成層10が積層されている。アクチュエータ基板2には、インク流路(インク溜まり)としての圧力室(キャビティ)5が形成されている。圧力室5は、この実施形態では、アクチュエータ基板2を貫通して形成されている。
可動膜形成層10における圧力室5の天壁部分は、可動膜10Aを構成している。可動膜10A(可動膜形成層10)は、たとえば、アクチュエータ基板2上に形成された酸化シリコン(SiO2)膜からなる。可動膜10A(可動膜形成層10)は、たとえば、アクチュエータ基板2上に形成されるシリコン(Si)膜と、シリコン膜上に形成される酸化シリコン(SiO2)膜と、酸化シリコン膜上に形成される窒化シリコン(SiN)膜との積層膜から構成されていてもよい。この明細書において、可動膜10Aとは、可動膜形成層10のうち圧力室5の天面部を区画している天壁部を意味している。したがって、可動膜形成層10のうち、圧力室5の天壁部以外の部分は、可動膜10Aを構成していない。
圧電体膜12としては、たとえば、ゾルゲル法またはスパッタ法によって形成されたPZT(PbZrxTi1−xO3:チタン酸ジルコン酸鉛)膜を適用することができる。このような圧電体膜12は、金属酸化物結晶の焼結体からなる。圧電体膜12は、上部電極13の下面に接した能動部12Aと、能動部12Aの周壁の一部から圧力室5の周縁の外側まで延びた非能動部12Bとを含む。能動部12Aは、上部電極13と平面視で同形状に形成されている。
下部電極11は、たとえば、Ti(チタン)膜およびPt(プラチナ)膜を可動膜形成層10側から順に積層した2層構造を有している。この他にも、Au(金)膜、Cr(クロム)層、Ni(ニッケル)層などの単膜で下部電極11を形成することもできる。下部電極11は、圧電体膜12の能動部12Aの下面に接した主電極部11Aと、能動部12Aの外方の領域まで延びた延長部11Bとを有している。下部電極11の厚さは、たとえば、0.2μm程度であってもよい。
第1水素バリア膜14上に、絶縁膜15が積層されている。絶縁膜15は、たとえば、SiO2、低水素のSiN等からなる。絶縁膜15の厚さは、200nm〜300nm程度である。絶縁膜15上には、上部配線17、下部配線18およびダミー配線19が形成されている。これらの配線17,18,19は、Al(アルミニウム)を含む金属材料からなっていてもよい。これらの配線17,18,19の厚さは、たとえば、1000nm程度である。
絶縁膜15上には、配線17,18,19および絶縁膜15を覆う第2水素バリア膜20が形成されている。第2水素バリア膜20は、たとえば、Al2O3(アルミナ)からなる。第2水素バリア膜20は、SiTaOx,SiZrOx等から構成されてもよい。第2水素バリア膜20は、スパッタ法またはALD(Atomic Layer Deposition)法によって形成されてもよい。第2水素バリア膜20の厚さは、50nm〜100nm程度である。
インク流入部7に対応する位置に、パッシベーション膜21、第2水素バリア膜20、絶縁膜15、第1水素バリア膜14および下部電極11を貫通するインク供給路22が形成されている。下部電極11には、インク供給路22を含み、インク供給路22よりも大きな貫通孔23が形成されている。下部電極11の貫通孔23とインク供給路22との隙間には、第1水素バリア膜14が入り込んでいる。インク供給路22とインク流入部7との間において、可動膜形成層10にはインク流通孔24が形成されている。インク供給路22とインク流入部7とは、インク流通孔24を介して連通している。
圧電素子9は、可動膜10Aを挟んで圧力室5に対向する位置に形成されている。すなわち、圧電素子9は、可動膜10Aの圧力室5とは反対側の表面に接するように形成されている。インクタンクからインク供給路55、インク供給路22、インク流通孔24、インク流入部7および制限流路6を通って圧力室5にインクが供給されることによって、圧力室5にインクが充填される。可動膜10Aは、圧力室5の天面部を区画していて、圧力室5に臨んでいる。可動膜10Aは、アクチュエータ基板2における圧力室5の周囲の部分によって支持されており、圧力室5に対向する方向(換言すれば可動膜10Aの厚さ方向)に変形可能な可撓性を有している。
アクチュエータ基板2には、複数の圧力室5が互いに平行に延びてストライプ状に形成されている。複数の圧力室5毎に、制限流路6およびインク流入部7が設けられている。複数の圧力室5毎に、圧電素子9が配置されている。複数の圧力室5は、それらの幅方向に微小な間隔(たとえば30μm〜350μm程度)を開けて等間隔で形成されている。各圧力室5は、平面視において、制限流路6から吐出通路3bに向かうインク流通方向41に沿って細長く延びた長方形形状を有している。つまり、圧力室5の天面部は、インク流通方向41に沿う2つの側縁5c,5dと、インク流通方向41に直交する方向に沿う2つの端縁5a,5bとを有している(図1B参照)。
インク供給路22は、平面視において、インク流通方向41と直交する方向に複数のインク流入部7を跨いで延びた矩形状である(特に図1A参照)。インク供給路22は、複数のインク流入部7に対して共用される共通インク供給路である。インク供給路22は、可動膜形成層10に形成されたインク流通孔24を介して、複数のインク流入部7に連通している。
保護基板4の収容凹所52は、平面視において、インク流通方向41と直交する方向に複数の圧力室5を跨いで延びた矩形状である。収容凹所52内に、複数の圧力室5にそれぞれ対応する複数の圧電素子9が収容されている。保護基板4の配線用貫通孔53は、平面視において、インク流通方向41と直交する方向に複数のパッド部17Bを跨いで延びた矩形状である。配線用貫通孔53に複数のパッド部17Bがパッド開口35を介して露出している。保護基板4の配線用貫通孔54は、平面視において、下部配線18に沿って延びた矩形状である。配線用貫通孔54に下部配線18がパッド開口36を介して露出している。保護基板4のインク供給路55は、平面視において、アクチュエータ基板2側のインク供給路22と同じパターンの矩形状である。インク供給路55は、平面視でインク供給路22に整合している。
この実施形態では、第1水素バリア膜14は、アクチュエータ基板2上において、平面視で各圧力室5の外側領域のほぼ全域に形成されている。ただし、この領域において、第1水素バリア膜14には、インク供給路22およびコンタクト孔34が形成されている。
各圧力室5の内側領域においては、圧電体膜12および上部電極13の側面全域と、圧電体膜12の非能動部12Bの上面と、上部電極13の上面周縁部とに、第1水素バリア膜14が形成されている。つまり、第1水素バリア膜14には、上部電極13の上面中央部に平面視矩形状の開口31が形成されている。換言すれば、上部電極13の上面中央部には、第1水素バリア膜14は形成されていない。
この実施形態では、絶縁膜15、第2水素バリア膜20およびパッシベーション膜21は、アクチュエータ基板2上において、平面視で保護基板4の収容凹所52の外側領域のほぼ全域に形成されている。ただし、この領域において、絶縁膜15には、インク供給路22およびコンタクト孔34が形成されている。この領域において、第2水素バリア膜20およびパッシベーション膜21には、インク供給路22およびパッド開口35,36が形成されている。
まず、図9Aに示すように、アクチュエータ基板2の表面2aに可動膜形成層10が形成される。ただし、アクチュエータ基板2としては、最終的なアクチュエータ基板2の厚さより厚いものが用いられる。具体的には、アクチュエータ基板2の表面に酸化シリコン膜(たとえば、1.2μm厚)が形成される。可動膜形成層10が、シリコン膜と酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積層膜で構成される場合には、アクチュエータ基板2の表面にシリコン膜(たとえば0.4μm厚)が形成され、シリコン膜上に酸化シリコン膜(たとえば0.4μm厚)が形成され、酸化シリコン膜上に窒化シリコン膜(たとえば0.4μm厚)が形成される。
次に、圧電体材料膜72の全面に上部電極13の材料である上部電極膜73が形成される。上部電極膜73は、たとえば、白金(Pt)の単膜であってもよい。上部電極膜73は、たとえば、IrO2膜(たとえば40nm〜160nm厚)を下層とし、Ir膜(たとえば40nm〜160nm厚)を上層とするIr02/Ir積層膜であってもよい。このような上部電極膜73は、スパッタ法で形成されてもよい。
次に、レジストマスク剥離される。そして、フォトグラフィによって開口37およびインク供給路22に対応した開口を有するレジストマスクが形成され、このレジストマスクをマスクとして、パッシベーション膜21、第2水素バリア膜20および絶縁膜15が連続してエッチングされる。これにより、図9Jに示すように、パッシベーション膜21、第2水素バリア膜20および絶縁膜15に、開口37およびインク供給路22が形成される。
次に、図9Mに示すように、保護基板4の対向面51に接着剤50が塗布され、インク供給路55とインク供給路22とが一致するように、アクチュエータ基板2に保護基板4が固定される。
この後、図9Oに示すように、ノズル基板3がアクチュエータ基板2の裏面に張り合わされることにより、インジェットプリントヘッド1が得られる。
また、前述の実施形態では、第1水素バリア膜14の表面の一部に絶縁膜15が形成されているが、第1水素バリア膜14の表面の全域に絶縁膜15が形成されていてもよい。
また、前述の実施形態では、第1水素バリア膜14に開口31,32が形成されているが、第1水素バリア膜14にこれらの開口31,32を形成しなくてもよい。
また、前述の実施形態では、制限流路6は蛇行状流路61,62を有しているが、制限流路6は蛇行状流路61,62を有していなくてもよい。
前述の実施形態では、この発明をインクジェットプリントヘッドに適用した場合について説明したが、この発明は、圧電素子を利用した圧電マイクロホン、圧力センサ等にも適用することができる。
2 アクチュエータ基板
2a 表面
2b 裏面
3 ノズル基板
3a 凹部
3b インク吐出通路
3c 吐出口
4 保護基板
5 圧力室(キャビティ)
6 制限流路
7 インク流入部
9 圧電素子
10 可動膜形成層
10A 可動膜
11 下部電極
11A 主電極部
11B 延長部
12 圧電体膜
12A 能動部
12B 非能動部
13 上部電極
14 第1水素バリア膜
15 絶縁膜
17 上部配線
17A 引き出し部
17B パッド部
18 下部配線
19 ダミー配線
20 第2水素バリア膜
21 パッシベーション膜
22 インク供給路
23 貫通孔(下部電極)
24 インク流通孔(可動膜形成層)
31 開口
32 開口
33 コンタクト孔
34 コンタクト孔
35 パッド開口
36 パッド開口
37 開口(絶縁膜、第2水素バリア膜およびパッシベーション膜)
41 インク流通方向
50 接着剤
51 対向面
52 収容凹所
53 配線用貫通孔
54 配線用貫通孔
55 インク供給路
61,62 蛇行状流路
Claims (18)
- キャビティと、
前記キャビティ上に配置されかつ前記キャビティの天面部を区画する可動膜と、
前記可動膜上に形成された下部電極、前記下部電極上に形成された圧電体膜および前記圧電体膜上に形成された上部電極を含む圧電素子と、
前記圧電素子の表面を覆い、かつ前記上部電極の一部を露出させるコンタクト孔を有する第1水素バリア膜と、
一端部が前記コンタクト孔を介して前記上部電極に接続され、他端部が前記圧電素子の外側に引き出された配線と、
前記可動膜の主面に対して法線方向から見た平面視において、前記配線の表面における少なくとも前記コンタクト孔を含む領域を覆う第2水素バリア膜と、
前記配線および前記第2水素バリア膜を覆うパッシベーション膜とを含む、圧電素子利用装置。 - 前記第1水素バリア膜と前記配線との間に介在し、前記第1水素バリア膜の前記コンタクト孔と連通するコンタクト孔を有する絶縁膜をさらに含み、
前記配線の一端部は、前記絶縁膜の前記コンタクト孔および前記第1水素バリア膜の前記コンタクト孔を介して、前記上部電極に接続されている、請求項1に記載の圧電素子利用装置。 - 前記第1水素バリア膜は、前記上部電極の上面中央に開口を有し、前記上部電極の上面周縁部と、前記上部電極および前記圧電体膜の側面全域を覆っている、請求項1または2に記載の圧電素子利用装置。
- 前記平面視において、前記上部電極および前記圧電体膜は、それぞれ、前記可動膜よりも前記キャビティの内方に後退した周縁を有し、
前記圧電体膜の側面を覆う前記第1水素バリア膜と前記可動膜の周縁との間領域に、前記第1水素バリア膜が形成されていない領域が存在する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の圧電素子利用装置。 - 前記キャビティは、前記平面視において矩形状に形成されており、
前記可動膜は、前記平面視において前記キャビティの周縁と整合する矩形状に形成されており、
前記圧電体膜は、前記平面視において、前記可動膜の短手方向の幅より短い幅と、前記可動膜の長手方向の長さより短い長さとを有する矩形であり、その両端縁および両側縁が前記可動膜の両端縁および両側縁よりも前記可動膜の内方にそれぞれ後退しており、
前記上部電極は、前記平面視において、前記可動膜の短手方向の幅より短い幅と、前記可動膜の長手方向の長さより短い長さとを有する矩形であり、その両端縁および両側縁が前記可動膜の両端縁および両側縁よりも前記可動膜の内方にそれぞれ後退している、請求項1〜4のいずれか一項に記載の圧電素子利用装置。 - 前記絶縁膜はSiO2膜からなる、請求項2に記載の圧電素子利用装置。
- 前記第1水素バリア膜はAl2O3からなる、請求項1〜6のいずれか一項に記載の圧電素子利用装置。
- 前記第2水素バリア膜はAl2O3からなる、請求項1〜7のいずれか一項に記載の圧電素子利用装置。
- 前記パッシベーション膜はSiN膜からなる、請求項1〜8のいずれか一項に記載の圧電素子利用装置。
- 前記パッシベーション膜は、プラズマCVDによって形成されているSiN膜からなる、請求項1〜8のいずれか一項に記載の圧電素子利用装置。
- 前記可動膜はSiO2単膜からなる、請求項1〜10のいずれか一項に記載の圧電素子利用装置。
- 前記可動膜は、前記基板上に形成されたSi膜と、前記Si膜上に形成されSiO2膜と、前記SiO2膜上に形成されたSiN膜との積層膜からなる、請求項1〜10のいずれか一項に記載の圧電素子利用装置。
- 前記圧電体膜はPZT膜からなる、請求項1〜12のいずれか一項に記載の圧電素子利用装置。
- 前記上部電極はPt単膜からなる、請求項1〜13のいずれか一項に記載の圧電素子利用装置。
- 前記上部電極は、前記圧電体膜上に形成されたIr02膜と、前記Ir02膜上に形成されたIr膜との積層膜からなる、請求項1〜13のいずれか一項に記載の圧電素子利用装置。
- 前記下部電極は、前記可動膜側に形成されたTi膜と、前記Ti膜上に形成されたPt膜との積層膜からなる、請求項1〜15のいずれか一項に記載の圧電素子利用装置。
- 下部電極、前記下部電極上に形成された圧電体膜および前記圧電体膜上に形成された上部電極からなる圧電素子を、可動膜上に形成する工程と、
前記可動膜上に前記圧電素子を覆う第1水素バリア膜を形成する工程と、
前記圧電素子上において、前記第1水素バリア膜に、前記上部電極の一部を露出させるコンタクト孔を形成する工程と、
前記第1水素バリア膜上に、一端部が前記コンタクト孔を介して前記上部電極に接触し、他端部が前記圧電素子の外側に引き出された配線を形成する工程と、
前記第1水素バリア膜上に、前記配線を覆う第2水素バリア膜を形成する工程と、
前記第2水素バリア膜上に、パッシベーション膜を形成する工程とを含む、圧電素子利用装置の製造方法。 - 下部電極、前記下部電極上に形成された圧電体膜および前記圧電体膜上に形成された上部電極からなる圧電素子を、可動膜上に形成する工程と、
前記可動膜上に、前記圧電素子を覆う第1水素バリア膜を形成する工程と、
前記第1水素バリア膜上に絶縁膜を形成する工程と、
前記圧電素子上において、前記絶縁膜および前記第1水素バリア膜に、前記上部電極の一部を露出させるコンタクト孔を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、一端部が前記コンタクト孔を介して前記上部電極に接触し、他端部が前記圧電素子の外側に引き出された配線を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、前記配線を覆う第2水素バリア膜を形成する工程と、
前記第2水素バリア膜上に、パッシベーション膜を形成する工程とを含む、圧電素子利用装置の製造方法。
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